精沖鋼微觀組織對其力學性能和精沖性能影響的多尺度模擬研究

文/莊新村，張穩(wěn)，馬思鳴，趙震·上海交通大學塑性成形技術與裝備研究院

精沖鋼微觀組織對其力學性能和精沖性能影響的多尺度模擬研究

文/莊新村，張穩(wěn)，馬思鳴，趙震·上海交通大學塑性成形技術與裝備研究院

為了研究精沖鋼不同微觀組織對精密沖裁工藝的適應性，分別建立基于材料組織的微觀代表性體積單元（RVE）模型和基于子模型法的RVE——宏觀有限元耦合多尺度模型，研究了球化退火后材料基體中滲碳體顆粒不同直徑、體積分數(shù)以及碳化物帶分布特征對拉伸、剪切力學性能和精沖性能的影響。

精密沖裁工藝是在很小的凸凹模間隙下，利用精沖凸凹模、反頂凸模及V形齒圈的共同作用使沖裁變形區(qū)處于較高的三向壓應力狀態(tài)，材料延遲斷裂的時間顯著延長，進而獲得高質(zhì)量沖裁斷面。與傳統(tǒng)板料沖裁方法相比，精沖工藝條件更為嚴苛，對所用板材的要求也更高。目前，最常用的精沖材料是精沖用低碳鋼板，通常經(jīng)歷熱軋、冷軋、退火處理等工序得到。

代表性體積單元（RVE)常被用于模擬研究具有多相微觀組織的材料性能，如材料的流動應力曲線、損傷和斷裂特性等力學性能。將RVE模型作為子模型，并結(jié)合宏觀有限元模擬得到的某單元位移場變化，構建宏觀—微觀模型，可實現(xiàn)對復雜成形工藝關鍵位置處不同微觀組織變形行為的模擬。

本文通過數(shù)值模擬研究了精沖鋼不同的微觀組織對其力學性能和精沖性能的影響。首先，針對球化退火后的滲碳體顆粒直徑、體積分數(shù)、分布狀態(tài)以及未退火的珠光體組織，分別建立了不同的RVE模型；其次，對不同微觀組織模型施加拉伸、剪切邊界條件進行數(shù)值模擬研究；再次，基于子模型法，在精沖試驗宏觀有限元模型中提取剪切變形區(qū)中心位置單元的位移歷史作為RVE模型的邊界條件，構建宏觀—微觀模型以探究不同微觀組織對精沖性能的影響；最后，通過對比分析模擬所得的子模型單元失效情況與實際精沖試樣的掃描電鏡（SEM)觀察結(jié)果，驗證模擬的準確性。

精沖鋼的微觀組織

精沖工藝相同時，精沖材料的性能很大程度上決定了精沖質(zhì)量。如前所述，精沖用低碳鋼板因原材料、軋制工藝、退火工藝等的差異，導致材料的微觀組織及性能也會存在差異。精沖用碳鋼常見的三類微觀組織如圖1所示，包括球化退火組織、含碳化物帶的組織和未退火含珠光體的組織。在后文的建模過程中，統(tǒng)一將碳化物簡化為滲碳體，而不再考慮其他碳化物的影響。

圖1 精沖用鋼C15E

基于精沖鋼微觀組織的多尺度模擬

通過數(shù)值模擬研究不同微觀組織特征對材料性能的影響是目前精沖成形研究的一大熱點，越來越多的模擬研究傾向于將宏觀有限元模型和微觀組織模型（如代表體積元RVE模型)結(jié)合，以對實際宏觀成形過程中的特征變形區(qū)域構建局部的微觀組織模擬。

宏微觀建模

根據(jù)精沖試驗中模具的實際尺寸在ABAQUS/Explicit中建立二維宏觀有限元模型，如圖2a所示，以獲得關鍵區(qū)域的變形情況。精沖變形主要集中在間隙處的剪切區(qū)域，因此對該區(qū)域進行網(wǎng)格加密處理。此外，對剪切區(qū)域除中心一層單元以外的單元運用ALE自適應網(wǎng)格的方法，防止網(wǎng)格畸變。中心區(qū)域的一層單元將以正常的拉格朗日模式變形，有限元軟件記錄單元節(jié)點的位移變化。

圖2 多尺度精沖有限元模型

RVE建模方法有兩種：一種是利用軟件生成理想化退火態(tài)的球形碳化物顆?！F素體基體RVE模型，另一種是基于真實的金相組織建立珠光體—鐵素體RVE模型，如圖2b所示。

微觀組織建模

⑴理想化退火態(tài)微觀組織RVE模型。

上文提及的兩種RVE模型建模方法，同樣適用于純微觀模擬研究，區(qū)別僅在于模型的邊界條件。若對RVE模型施加拉伸或剪切邊界條件，可分析材料不同的微觀組織對拉伸或剪切性能的影響。在冷軋鋼的退火態(tài)微觀組織中，滲碳體近似于球狀顆粒，或隨機或以碳化物帶的形式分布在鐵素體基體中。因此建立的二維RVE模型將滲碳體等效為圓形的第二相顆粒，利用軟件直接生成不同直徑、不同體積分數(shù)或不同分布狀態(tài)的球狀顆粒。在純微觀模擬研究中，考慮到球狀滲碳體的實際尺寸，將RVE模型整體尺寸設為20μm×20μm。

為了方便與后文中基于金相組織的RVE模型作對比，再以同樣的方法在更大的尺度上建立理想化退火態(tài)微觀組織RVE模型作為子模型，研究組織對精沖性能的影響。模型整體尺寸為100μm×100μm，網(wǎng)格劃分時將球狀碳化物等效為此RVE模型中的一個網(wǎng)格。

⑵基于實際微觀組織的RVE模型。

圖3 C15E熱軋?zhí)间撹F素體-珠光體混合微觀組織的RVE模型建立過程

未球化退火熱軋鋼的微觀組織由片層狀珠光體與鐵素體基體混合而成，兩相形狀不規(guī)則，難以通過軟件直接生成RVE模型。因此需要基于材料的真實金相組織建立RVE模型，即利用軟件對真實的金相組織進行黑白兩值化處理，以分出鐵素體和片狀珠光體兩相，在建模軟件中按兩相的位置信息構建RVE模型。典型的未球化退火態(tài)RVE模型建模過程如圖3所示?？紤]到兩相組織的尺度為10μm左右，RVE模型的整體尺寸為100μm×100μm。

結(jié)果與討論

微觀組織對拉伸、剪切力學性能的影響

通過對純微觀的RVE模型施加拉伸、剪切的邊界條件，模擬滲碳體顆粒的不同直徑、體積分數(shù)、分布特征對拉伸、剪切力學性能的影響，將模擬所得不同模型的名義應力—名義應變曲線示意圖如4、圖5所示。

圖4 滲碳體顆粒直徑、體積分數(shù)、分布狀態(tài)對拉伸性能的影響

圖5 滲碳體顆粒直徑、體積分數(shù)、分布狀態(tài)對剪切性能的影響

圖4a、4b分別反映了粒徑、體積分數(shù)的變化對拉伸性能的影響。圖5a表示在不同粒徑和體積分數(shù)下，剪切加載RVE模型至起始應變時的名義應力—應變曲線。根據(jù)模擬結(jié)果，當粒子直徑減小，粒子分數(shù)減小時，RVE模型內(nèi)部發(fā)生斷裂的時間將被推遲，同時斷裂發(fā)生時對應的名義應力值將變大。

當球狀滲碳體呈帶狀分布時，即微觀組織中出現(xiàn)碳化物帶時，在帶中更容易發(fā)生應力和應變集中。描述碳化物帶分布特征的參數(shù)有兩個：碳化物帶中的碳化物顆粒占模型總顆粒的百分數(shù)和帶中碳化物顆粒聚集密度。圖4c、4d為含碳化物帶材料的拉伸名義應力—應變曲線，圖5b給出了碳化物帶狀分布對RVE剪切加載輸出曲線的影響。碳化物帶的出現(xiàn)將會造成材料中微觀斷裂提前、變形抗力增加，對材料在拉伸過程中的強度產(chǎn)生負面影響。隨著帶中的碳化物聚集比例增加，或隨著碳化物聚集得更緊密，這些負面效應更加明顯。

微觀組織對精沖力學性能的影響

圖6 不同滲碳體顆粒體積分數(shù)、碳化物帶特征的RVE模型單元失效情況

圖7 不同微觀組織材料精沖變形區(qū)起裂情況

精沖過程中，材料的損傷集中在剪切變形區(qū)。圖6為同一變形程度下剪切變形區(qū)中心位置的子模型單元失效分布圖（子模型的顯示還原為模型未變形時的狀態(tài))。圖6中的黑色部分為失效鐵素體單元，白色為滲碳體單元，灰色為未失效的鐵素體單元?？梢钥闯觯Ｗ臃謹?shù)增大時，失效單元的數(shù)目明顯增多。當子模型內(nèi)部粒子隨機分布時，失效的單元也接近隨機分布。當子模型含碳化物帶時，失效的鐵素體單元明顯地集中在碳化物帶的區(qū)域；而當碳化物帶中粒子變密集或者碳化物帶變寬時，帶內(nèi)失效單元增多，并且促進失效的鐵素體在帶外出現(xiàn)。

精沖剪切變形區(qū)的微觀SEM觀察

對不同微觀組織的材料進行精沖試驗，獲得一定壓下量下的精沖試樣，并在掃描電鏡（SEM)下觀察剪切變形區(qū)中心位置的形貌，如圖7a～7d所示。球化退火態(tài)C15E材料中球狀滲碳體含量較低且分布均勻，斷裂僅出現(xiàn)在凸模圓角上端精沖的廢料側(cè)，精沖變形區(qū)的中心和凹模并未觀察到裂紋。對于含明顯的碳化物帶的42CrMo4材料，裂紋沿著碳化物帶擴展，而偏離平行于沖裁方向的剪切帶，圖7d表明裂紋恰好穿過滲碳體聚集最為緊密的區(qū)域。

因碳化物帶的存在而導致的裂紋擴展路徑改變會嚴重影響精沖斷面質(zhì)量。當材料中存在嚴重的碳化物帶時，裂紋可能沿著碳化物帶擴展較深，如圖7e所示。而當材料中存在平行的多條碳化物帶時，裂紋的擴展路徑可能會多次發(fā)生改變，形成圖7f所示的一條曲折的裂紋，對應于實際精沖中的粗糙沖裁斷面。

結(jié)束語

通過對精沖用碳鋼不同微觀組織的拉伸、剪切、精沖性能進行宏微觀模擬，模擬結(jié)果顯示：球化退火后，當基體中存在較小體積分數(shù)的小直徑碳化物顆粒時，材料的拉伸、剪切強度提高，裂紋萌生時間延遲；而碳化物帶的存在使得帶中產(chǎn)生應力集中，加快損傷演化而導致材料過早斷裂，并且碳化物帶中滲碳體顆粒越多或越密集，這種應力集中越嚴重；精沖時裂紋沿著碳化物帶擴展，降低斷面質(zhì)量。模擬預測的單元失效情況與掃描電鏡觀察的精沖試樣裂紋擴展結(jié)果一致。

莊新村，博士，副研究員，碩士研究生導師，現(xiàn)任上海交通大學材料學院塑性成形技術與裝備研究院副院長，主要研究方向為精沖成形工藝及模具設計優(yōu)化、板料鍛造新工藝和材料韌性損傷演化建模。